EMC Design Considerations for PSoC CapSense(TM) Applications - AN2318 (ZH)

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EN55022 包括“预扫描”检测和开放空间测试场所 (OATS) 检测。预扫描检测的目的是找到器件发射出最大能量的频 率。我们在检测室中进行预扫描检测。OATS 检测可对发 射进行更精确的测量。OATS 检测在较大空间里进行（10 米长或露天）。对大多数 PSoC® 应用（B 类—家用较低的 阈值）来说，30 MHz 到 230 MHz 之间的通过/未通过阈值 为 30 dBuV/m，230 MHz 到 1 GHz 之间为 37 uV/m。 下图给出了 EN55022 预扫描测试的结果。从该图中，我们 找到一组在更精确的 OATS 检测中研究的频率。
辐射和传导抗干扰度（耐受性）性能要求由 EN61000-4 标 准和 EN55024 标准的有关章节作了规定。ESD 测试包含 在 EN55024 标准中。
发射
辐射：辐射发射主要来自输入和输出的数字瞬态。应尽可能 限制数字输出的带宽。PSoC® 器件的 I/O 被全局总线结构 限制于 12.0MHz。这一定时频率限制为抵制辐射发射提供了 第一重保护。PSoC® 器件 CY8C21xxx、CY8C24xxxA、 CY8C27xxx、CY8C29xxx 和所有计划中的未来系列产品都 提供了启用较慢上升和下降时间的选择，能限制数字输出的 谐波能量。CY8C25xxx 和 CY8C26xxx 等较早系列的部件没 有此功能。电路板上的高速布线要尽可能的短。如果信号离 开电路板去驱动外部负载，那么芯片应具备串联端接的电阻 来提供必要的带宽。对高速线路而言，15 到 50 欧姆的电阻 通常就足够了。请注意，逻辑上的数字输出直接连接到（通 过输出 P 通道 FET 的 RDS(ON) ）Vdd 上。这样，Vdd 总线实 际上直接连接到输出上，因而 Vdd 上出现的任何高频噪声都 会出现在输出上。我们应在 PSoC® 芯片上在 Vdd 和 VSS 之 间提供良好耦合的高频旁路电容。该电容旁路线迹应非常 短；尽可能地采用接地层和电源层。本应用笔记稍后部分给 出了 CapSense 的辐射发射设计实例。
引言
各电子器件都必须符合发射能量的特定要求，并对外部干扰 有一定的抗扰度。美国 FCC 及其他国家类似的监管机构制 定了有关标准，确保电子器件不会彼此干扰。因此，您的计 算机不会干扰您的电视，还有更糟糕的情况下医院的 X 光 机或通风设备不会破坏重要的医疗监视器的工作。
现代高速数字电子设备能生成极高速的信号，该信号可能发 出大量噪音。CMOS 模拟电路和数字电路本身具有无限的 输入阻抗。因此，其对外部的电场、磁场相当敏感，我们必 须采取适当的预防措施，确保存在大量的辐射和传导干扰能 量的情况下能正常工作。本应用笔记将概述有关基本规范， 提 供 符 合 标 准 的 安 全 设 计 指 南 ， 并 给 出 成 功 的 PSoC® CapSense 设计的检测结果。
图 2. 通讯接口原理图
2005 年 8 月 29 日，我们在位于华盛顿州舒顿的西北 EMC 实验室检测该系统。CapSense 按钮根据 EN55022 标准 (Amds．A1:2001、A2:2003) Class B：1998 的要求进行 检测。
2008 年 12 月 17 日
文件编号 001-50403 版本 **
抗扰度
辐射：辐射电能会影响系统测量并可能会影响处理器内核的 工作。干扰通过引脚在印制电路板 (PCB) 级进入 PSoC® 芯 片。为避免辐射能干扰，我们应认真设计电路板的布局，做 好 PSoC® 项目的设计。有关方法如下：
1. 尽可能减小到达芯片的信号源源阻抗。
2. 尽量缩小化输入信号线迹的环路面积。
传导：传导发射是相对较低频的 RF 传导进入电源系统造成 的。PSoC® 电源引脚上的高频旁路电容和大型旁路电容可 满足巨大的瞬时负载要求并能有效消除 PSoC® 芯片的耦合 效果及电源系统的直接负载。开关电源瞬态不是 PSoC® 芯 片本身的问题，而是大量传导发射的问题。降低这一噪声的 标准设计做法是在输入电源连接上采用差模和共模电感器，
设计实例－辐射发射
用 CY8C21534-24PVXI 芯片来组装一个电路，执行 8 个按 钮的简单 CapSense 项目。在设计 PCB 时采用应用笔记 AN2292 中的总体布局指南。如欲了解以下功能原理，请参 见 AN2292。电路被组装在 0.062 英寸厚的 FR4 双面 PCB 上。CapSense 接地层仅位于电路板的最上面，部分地线填 充率为 60%。电路板的底部没有接地层。出于评估目的，测 试板上 4 个按钮的直径为 1.0 cm，其他四个直径为 1.2 cm。 按钮和接地之间的间距为 0.020 英寸。对 4 个一组两组不同 大小的按钮而言，各有 2 个按钮的垫片为实心导体，另 2 个
4. 天线馈电和 RS232 延伸线缆通过检测室中小型的电磁 隔离孔连通。
5. 执行测试的技术人员在频率为 80 MHz 至 1 GHz 之 间，采用 3V/m 的对数扫描对器件扫描。
6. 负责检测的技术人员进入检测室，将天线从水平极化变 为垂直极化，反之亦然。
7. 技术人员密闭检测室，在进行一次扫描。
静电放电 (ESD)
接触表面时，该表面上的电荷积累突然转移到另一表面，这 就会造成静电放电或 ESD。这时的放电电压通常会达到几 千伏特。易受 ESD 影响的系统根据各种不同因素，会对静 电放电做出不同反应。有关因素包括：在检测器件外壳上的 放电位置、放电的电压电平以及发生 ESD 事件的环境等。 本应用笔记稍后部分将给出 CapSense 的 ESD 实例。
通过 EN55024 辐射抗扰度测试的要求是，系统能在存在辐 射干扰条件下正常工作。就 CapSense 按钮而言，正常工 作是指测量出的灵敏度要大于给定应用较低灵敏度的要求。 按钮的灵敏度是指手指接触和没有接触按钮时的计数值 之差。
按钮灵敏度＝（手指接触时的计数）－（手指不接触时的 计数）
以下两图显示了当在 80 MHz 至 1 GHz 之间扫描到 RF 源 时按钮的灵敏度。按钮 #5 显示了整组按钮的典型测试结 果。按钮 #6 显示了整组按钮的最差的测试结果。
图 3. EN55022 预扫描检测结果
PSoC® CapSense 8 按钮电路板大大超出了 EN55022 的要 求，比标准高 出 10 dB。OATS 检测结果见下图。负责进 行检测的技术人员指出：“这是我们做过的最无聊的 OATS 检测。”如此说来，最无聊的就是最好的结果。
图 4.“无聊的”OATS 检测结果
1. 待测器件位于在检测室中，一部天线发射 RF 干扰，另 一天线监视干扰频率。
2. RF 信号生成器和功率放大器位于检测室外，控制 PC 通过 GPIB 使其自动工作。RF 源生成抗扰度检测的 干扰。
3. 监视 PC 也位于检测室外，观察待测器件的工作。检测 室外的频率计数器连接到室内的监视天线上。计数器还 通过 RS232 延长线缆用 GPIB 连接到监视 PC 上。计 数器数据用于关联干扰频率和待检器件的反应。
重复第 5 步到第 7 步，直到下述八种位置连接和极化组合 所需频率都扫描到，编号 001-50403 版本 **
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表 1. 辐射抗扰度检测组合
极 水平 水平 水平 水平 垂直 垂直 垂直 垂直
位置 前 右 后 左 前 右 后 左
设计实例—辐射抗扰度
上节中的辐射发射测试的 8 按钮电路和 EMC 测试实验室再 次用来进行了辐射抗扰度检测。
根据 EN55024 的要求检测 CapSense 按钮。EN55024 辐 射抗扰度检测的目的是找到器件在检测时受辐射干扰最严重 的频率。我们在电磁封闭的无回声检测室中进行辐射抗扰度 检测。检测程序如下：
规范
美国 FCC 关于无意辐射体的第 15 部分的 B 子部分规定了 计算设备的标准。欧洲和世界其他地区的标准基本依据 CENELEC 而有所调整。这些都包含在 CISPR 发射标准 （也称 ENxxxx 标准）和 IEC 抗扰度和安全问题标准（也 称 ENxxxx 标准）中。
计算设备的一般发射规范为 EN55022，该标准涵盖了传导 发射和辐射发射。在美国，医疗设备不受 FCC 管制，而受 FDA 法 规 管 制 ， 该 法 规 包 含 了 欧 洲 对 医 疗 设 备 标 准 EN55011 的要求。这些设备中，电动机控制设备包含在 EN55014 标准中；照明设备包含在 EN50015 标准中。上 述规范对辐射发射和传导发射有着基本相似的性能要求。
图 5. EN55024 抗扰度检测图
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图显示出，在 80 MHz 到 1 GHz 的测试频谱内，按钮灵敏 度至少比设计要求高出 10 个计数值。根据上述测试结果， PSoC® CapSense 8 按钮电路板顺利通过了 EN55024 辐射 抗扰度测试。
设计实例－ESD
我 们 在 ESD 设 计 实 例 中 采 用 目 前 包 括 一 组 PSoC® CapSense 按 钮 的 消 费 产 品 。 本 例 中 的 PSoC® 是 CY8C21434-24LFXI。我们在设计本产品的 PCB 时采用应 用笔记 AN2292 的一般布局方法。如欲了解下述功能原 理，请参见 AN2992。电路组装在加固的聚酰亚胺有弹性的 四层 PCB 板上。包括顶层和底屏蔽层在内的电路板的总厚 度为 0.014 英寸。顶层有一组 3 x 3 个按钮阵列，大小约为 1.5 英寸 x 1 英寸。接地层位于 PCB 的底部,部分地线填充 率为 40%。铜线迹环绕 PCB 四周，形成接地环，提高了 CapSense 电路的性能。按钮阵列嵌入产品内部。外壳为丙 烯酸树脂材料，作为按扭上 1.0 mm 厚的覆盖层。
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为交叉梳状。该 PCB 的照片见下。赛普拉斯设计的电路板用 于内部测试目的，不对外提供。
图 1.内部测试用 CapSense PCB